物联网技术在单片机教学改革中的应用

郑一力，赵燕东，葛桃桃，陈善安

（北京林业大学 工学院，北京 100083）

物联网通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，与互联网结合形成一个巨大网络，被称为继计算机、互联网与移动通信网之后世界信息产业的第三次浪潮，它代表了下一代信息发展的重要方向。我国已将“物联网”明确列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》和2050年国家信息产业路线图。物联网的应用涉及智能交通、文化教育、环境保护、公共安全、平安家居等多个领域，将极大改变我们的生活、工作和学习方式［1－3］。

本文重点探讨了以物联网的相关技术带动“单片机原理及应用”教学内容和实践方法的改革，突出培养学生运用所学知识和技能解决实际问题的综合应用能力。

1 单片机教学和物联网技术的特点

“单片机原理及应用”是高等院校电类和机械类等专业的基础课［4－5］，了解单片机的工作原理，掌握单片机技术，特别是具备基本应用操作技能，成为相关专业大学生的重要任务［6］。传统的单片机教学以典型的80C51系列8位单片机的实际应用为主线，教学中理论与实验相结合，课堂教学需要给学生提供较为直观和实用的设计实例，实验中突出培养学生的实践动手能力［7－］。采用传统的单片机教学方式，学生可掌握单片机的基础编程方法和接口基本使用，而针对实际需求构建单片机系统的综合设计能力还有一定的欠缺。

物联网的核心是物与物以及人与物之间的信息交互。物联网的基本特征可以概括为全面感知、可靠传输与智能处理［10］。物联网的感知层、网络层和应用层三层架构中关键技术都会涉及到单片机的相关应用，为单片机教学改革提供了丰富的教学题材、内容和实现方法［11－12］。将物联网的相关技术应用到“单片机原理与应用”这门以实践为主的教学中，可锻炼学生构建单片机系统解决实际问题的综合设计能力，也为学生将来在物联网相关产业的就业提供技术储备。

2 教学内容和方法改革

“单片机原理及应用”的传统教学内容包括80C51单片机硬件结构、指令系统、汇编程序设计、中断技术、定时器／计数器、、串行通信、存储器扩展技术、接口系统软硬件设计等。笔者在本课程改革实践中，将教学过程分为基础教学阶段和课程设计阶段。基础教学阶段的课程采用集中授课的方式完成，安排了38学时的课堂教学和10学时的基础实验。同时，针对“单片机原理与应用”以实践为主的特点，结合物联网的相关技术和应用，在基础教学阶段结束后，在后半学期增加了单片机课程设计阶段，让学生利用课余时间完成可现场演示的单片机实物作品。教学内容和方法改革的具体内容如下。

2.1 课堂教学内容和课时安排

相对于传统的单片机教学，38学时的课堂教学计划见表1。此教学计划压缩了单片机指令系统和汇编程序设计的教学时间，只讲述最常用的几个80C51单片机汇编指令以及循环和分支程序设计的方法，增加了实用的单片机C语言程序设计和物联网基础知识教学内容，重点突出了单片机常用接口设计的教学内容。

表1 单片机课堂教学学时和内容计划表

其中，用14学时对时钟接口、AD／DA接口、GPRS接口、蓝牙接口、温度传感器、湿度传感器这一部分主要做接口芯片或传感器的功能与使用方法的简介，并提供给学生相关参考文献和例程，以学生课下自学掌握为主。这一部分的知识需要用到后续的单片机课程设计阶段。

2.2 基础实验内容和课时安排

基础实验一共10学时，与38学时的课堂教学穿插进行，其目的是让学生动手掌握80C51单片机的基础编程方法和各个片内接口的使用。在实验中使用了80C51单片机实验箱，实验2个人为一组进行，编程建议采用汇编语言完成，同时也鼓励学生用C语言和经典的Keil C开发环境完成，实验的题目和要求见表2。

表2 单片机基础实验学时和内容计划表

这5个基础实验涵盖了80C51单片机基本接口使用和程序设计的课堂教学内容。在教学中，要求学生必须在上机前编写好程序，在实验室中集中时间进行调试，使学生完整了解单片机的基本使用方法，为后续单片机课程设计的深入实践打下基础。

2.3 课程设计阶段安排

在完成单片机基础教学阶段的课堂教学和基础实验后，要求学生自主分组和选题，结合物联网基础知识，在课余时间完成基于80C51单片机和物联网技术的可现场演示的课程设计作品。这部分教学不再集中讲授，采用了项目责任制的课程设计方案，每个作品由3～4名学生组合完成，每组由一个组长负责整体协调，每个组员在项目中侧重完成不同的任务，最后完成实物作品的整合，在课程设计过程中培养学生的团队精神。

课程设计的作品需要使用80C51单片机最小系统板，同时根据题目需要使用物联网中的传感器、GPRS通讯、RFID或无线传感网络等相关技术。每个设计题目由教师确认后开始实施，学生通过资料查阅确定设计题目，亲自动手完成作品的电路设计、芯片焊接、导线连接、代码编写和调试等一系列手工任务。

课程设计考核要求包括方案设计合理性和创新性、报告完整性、作品演示效果、结果数据分析等内容，以分组答辩的形式完成整个课程设计任务，通过综合表现来给学生评定实验成绩。表3给出了部分课程设计作品名称和简介。

表3 部分单片机课程设计的题目与内容

在课程设计最后，教师集中对学生的课程设计进行总结，指出各组设计不合理或制作不规范等问题，培养学生正确的设计思路和操作规范，同时选拔出优秀的作品和队员参加全国大学生物联网创新创业大赛等学科竞赛。

通过以上课程设计的锻炼，可使学生理论联系实际，充分了解一个具体项目从选题、立项、分析到完成的整个过程。对于培养学生创新能力、自学能力、动手能力、组织管理能力和文本书写能力具有较好的推动作用，为学生日后的工作和科研实践提供了扎实的技能基础，获得较好的课程评价。同时，基于本课程教学改革实践的成果，北京林业大学参加了2011年至2013年全国大学生物联网创新创业大赛，共获得国家特等奖1项，二等奖3项，三等奖1项。

4 结束语

实践结果表明，将物联网技术应用在单片机教学中，使“单片机原理及应用”的理论教学与实践内容进一步紧密结合，丰富了教学内容和手段，培养了学生思维创新、资料查阅、方案论证、软硬件设计、系统测试与调试、人际交往与协作团队精神等综合能力，这与高等院校工科专业的人才培养目标相一致，使学生跟上信息技术和物联网技术发展需求，将创新思维转变为实际成果的重要手段，为学生未来的工作和科研深造提供了锻炼机会。

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［1］中国科学院信息领域战略研究组.科学技术与中国的未来：中国至2050年信息科技发展路线图［M］.北京：科学出版社，2009.

［2］薛燕红.物联网技术及应用［M］.北京：清华大学出版社，2012.

［3］吴功宜.智慧的物联网［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［4］丁保华，张有忠，陈军，等.单片机原理与接口技术实验教学改革与实践［J］.实验技术与管理，2010，27（1）：117－119.

［5］朱敏杰，罗珩，余亚东.改革单片机教学 培养应用型人才［J］.实验室研究与探索，2012，31（2）：144－147.

［6］赵月静，陈继荣，张永弟.单片机原理及应用课程创新实践教学改革［J］.实验技术与管理，2013，30（1）：176－179.

［7］张毅刚.新编MCS－51单片机应用设计［M］.3版.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008.

［8］张毅刚.单片机原理及接口技术（C51编程）［M］.北京：人民邮电出版社，2011.

［9］张俊谟.单片机中级教程：原理与应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2006.

［10］徐小涛.物联网信息安全［M］.北京：人民邮电出版社，2012.

［11］杨怡.物联网技术在单片机教学中的应用［J］.科教导刊，2013（9）：99－100.

［12］陈奎，黄为勇，田传耕.物联网时代单片机教学的思考与改革［J］.福建电脑，2012（6）：173－175.